CoPt-TiO2/Co-TiO2交换耦合磁记录薄膜的研究

谢海龙，王 颖，魏福林，郑立允，刘宏基

(1.河北工程大学 材料科学与工程学院，河北 邯郸 056038；2.兰州大学 磁学与磁性材料教育部重点实验室，甘肃兰州 730000)

CoPt-TiO2/Co-TiO2交换耦合磁记录薄膜的研究

谢海龙1，王 颖2，魏福林2，郑立允1，刘宏基1

(1.河北工程大学 材料科学与工程学院，河北 邯郸 056038；2.兰州大学 磁学与磁性材料教育部重点实验室，甘肃兰州 730000)

建立包含微结构的微磁学模型，研究软磁层的磁晶各向异性场、软磁层的饱和磁化强度等本征磁性参数对CoPt-TiO2(16 nm)/Co-TiO2(4 nm) 交换耦合磁记录薄膜磁性的影响。计算得到的CoPt-TiO2(16 nm)的硬磁薄膜易磁化轴的磁滞回线的矫顽力为6.1 kOe，矩形度为0.98。在交换耦合介质中，当软磁层的厚度δ从0 nm增加到4 nm时，易磁化轴的矫顽力从6.1 kOe减小到4.9 kOe。同时发现，软磁层越软（软磁层的磁晶各向异性场越小，饱和磁化强度越大）时，整个薄膜的矫顽力也越小。

交换耦合介质；磁记录；微磁学；磁性材料

为了满足超高密度磁记录的需要，磁性颗粒的尺寸需要显著的减小。然而由于超顺磁极限的限制，当颗粒的尺寸小于某个临界值的时候，磁隔绝的颗粒会变得不稳定。为了克服超顺磁极限，作为记录层的磁性薄膜需要具有很大的磁晶各向异性，不过由于现在的写磁头所能提供的写入场有限，过大的磁晶各向异性会引发写入困难的问题。交换耦合复合介质由耦合在一起的软磁层和硬磁层构成，当软/硬磁层间的交换相互作用大小适当的时候，介质可以在保持足够的热稳定性的同时使翻转场降低到最小。关于交换耦合复合介质的理论和实验工作很多[1-5]，然而微磁学模型中包含多晶微结构的工作很少，因此很难通过测量磁滞回线得到软/硬磁层间的准确的交换相互作用。

本文在实验数据的基础上，将微结构引入到微磁学模型中，研究了CoPt-TiO2/Co-TiO2交换耦合磁记录薄膜的磁性随软磁层的磁晶各向异性场、软磁层的饱和磁化强度等本征磁性参数的变化规律。

1 微磁学模型

我们在室温时采用磁控溅射系统在2.5英寸的玻璃基片上首先溅射了150 nm厚的CoZrNb软磁衬底层（SUL）；接着沉积了5 nm厚的Pt Preseed层和10 nm厚的Ru种子层(Seed layer)；然后是16 nm厚的CoPt-TiO2硬磁层(靶材的成分为Co80Pt20)，之后沉积了 δ =0～4 nm厚的Co-TiO2软磁层，最后沉积了一层C保护层以防止氧化，溅射用的保护气体是Ar气。

本文中，硬磁层的微磁学单元尺寸D为2 nm×2 nm×2 nm，软磁层的微磁学单元尺寸是2 nm×1 nm×2 nm，薄膜平面内微磁学单元的数目是6 464。实验测量的薄膜往往具有毫米尺度，所以我们在膜面（x-z plane）内采用了周期性边界条件。图1是我们模拟的类似Voronoi格子的多晶微结构示意图，图中黑色部分为具有磁性的晶粒，白色部分为无磁性的晶界。我们首先在薄膜平面内均匀选定一些格点作为晶粒生长时的晶核位置，然后使形核中心在一定范围内无规则行走，之后是晶粒的长大。当不同的晶粒边界接触时，晶粒生长停止，最终得到的晶粒是具有一定尺寸分布的柱状晶，其尺寸的分布可以通过控制形核中心的位置来实现，平均的晶粒尺寸Dg是7 nm，晶界的宽度是2 nm。

图1 模拟的薄膜三维微结构示意图Fig.1 Simulated 3D microstructure of the thin fi lms

我们把软/硬磁层的磁性参数作了区别处理：硬磁层的饱和磁化强度选为619 emu/cc，垂直单轴各向异性场的大小设定为1.8 T（相应的磁晶各向异性常数是5.6×106erg/cm3）；软磁层的饱和磁化强度设定为651 emu/cc，垂直单轴各向异性场的大小选为1.4 T。磁晶各向异性场的大小满足分布P(Hk)=exp(-ln2(Hk/)/β2)exp(-(Hk/)2)，其中大小分布参数β取0.1。同时磁晶各向异性场的方向满足取向分布f(θ)=exp(-αθsin2θ)，式中取向分布参数αθ=1.0。晶粒内部的交换相互作用常数A*1设定为0.2×10-6erg/cm，晶粒之间的交换相互作用常数A*2设定为0.1×10-7erg/cm，软/硬磁层间的交换相互作用常数A*3设定为0.2×10-6erg/cm。

微磁学的模拟基于求解L-L-G方程，薄膜总的能量包含五项：

式中Eext、Ek、Eex、Em和 Ems分别为黎曼能、磁晶各向异性能、交换相互作用能、退磁能和磁弹性能。退磁场的计算是微磁学中最耗时的部分，我们采用二维快速傅立叶变换[6-7]（2D-FFT）方法来求解退磁场。

2 结果与讨论

2.1 CoPt-TiO2(16 nm) 单层硬磁薄膜

我们首先计算了CoPt-TiO2(16 nm)硬磁层的磁滞回线，其中CoZrNb(150 nm)软磁衬底层起到了一个镜像的作用，即：硬磁层的磁矩M=(Mx，My，Mz)在软磁层中产生了一个镜像M=(-Mx，My，-Mz)，y轴为垂直膜面方向。图2展示的是我们计算的16 nm厚的CoPt-TiO2单层薄膜的易磁化轴的磁滞回线，矫顽力为6.1 kOe，方形度为0.98。颗粒内部的交换场常数He1=2A*1/(D2)=1.6 T，颗粒之间的交换场常数He2=2A*2/(D2)=807 Oe。模拟的结果跟实验的结果符合得很好，从中我们可以看出磁性颗粒被颗粒间的氧化物很好地隔离开。

图2 CoPt-TiO2(16 nm)硬磁层的易磁化轴的磁滞回线Fig.2 Easy magnetization axis M-H Loops of the CoPt-TiO2(16 nm) hard layer

2.2 软磁层厚度的影响

为了研究软磁层的厚度对薄膜的矫顽力的影响，我们保持其他参数不变，计算了软磁层的厚度变化时薄膜易磁化轴的磁滞回线。易轴的矫顽力Hc随软磁层厚度的变化规律如图3所示。

图3 软磁层厚度对薄膜的矫顽力Hc的影响Fig.3 The effect of the thickness on the coercivity of the fi lms

由图3可知，当软磁层的厚度从0增加到4 nm时，易磁化轴的矫顽力从6.1 kOe减小到4.9 kOe（实验数值为5.0 kOe），回线的矩形度基本没有变化。这可能是因为当软磁层厚度增加时，距离软/硬磁层界面较远的软磁层颗粒感受到的来自硬磁层的交换相互作用减弱，所以在较小的外场下便可成核翻转。模拟的结果与实验结果符合得很好。

2.3 软磁层的磁晶各向异性场的影响

图4 软磁层的磁晶各向异性场的对薄膜的易磁化轴矫顽力的影响Fig.4 The effect of the anisotropy fi eld of the soft layer on the easy coercivity

其中Hn为软磁层的成核场，Js为软磁层的自旋极化强度，为软磁层的磁晶各向异性常数，A为晶粒间的交换耦合常数，ts为软磁层的厚度。所以成核场也随软磁层的磁晶各向异性场的减小而减小。这两方面的因素共同导致薄膜的矫顽力也相应的减小。

2.4 软磁层的饱和磁化强度的影响

图5 软磁层的饱和磁化强度对薄膜易磁化轴矫顽力的影响Fig.5 The effect of the saturation magnetization of the soft layer on the easy coercivity

3 结论

1）CoPt-TiO2(16 nm)的硬磁薄膜的易磁化轴矫顽力为6.1 kOe，矩形度为0.98。

2）当软磁层的厚度从0增加到4 nm时，易磁化轴的矫顽力从6.1 kOe减小到4.9 kOe。

3）软磁层的磁晶各向异性场Mks减小，矫顽力Hc相应地随之减小。

4）当软磁层的饱和磁化强度Mss从651 emu/cc增加到1 400 emu/cc时，易轴的矫顽力单调地从5.8 kOe减小到4.4 kOe。

media for perpendicular magnetic recording[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(2)：537-542.

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Investigation of the CoPt-TiO2/Co-TiO2exchange coupled magnetic recording media

XIE Hailong1，WANG Ying2，WEI Fulin2，ZHENG Liyun1，LIU Hongji1
(1. College of Materials and Engineering，Hebei University of Engineering，Hebei Handan，056038，China；2. Key laboratory for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education，Lanzhou University，Gansu Lanzhou，730000，China)

In this paper，an accurate micromagnetic model is built for CoPt-TiO2(16 nm) / Co-TiO2(4 nm) exchange coupled magnetic recording media. Based on the microstructure，the effect of the magnetic parameters such as the anisotropy，the saturation magnetization of the soft layers on the magnetic properties of the media is investigated. In the M-H loop of CoPt-TiO2(16 nm) hard layer，the easy magnetization axis coercivity is 6.1 kOe and the squareness is 0.98. In the exchange coupled media，the coercivity decreases from 6.1 kOe to 4.9 kOe when the thickness δ of the soft layer increases from 0 nm to 4 nm. Meanwhile，we also found that the coercivity decreases when the anisotropy is lower and the saturation magnetization is larger in the soft layer.

exchange coupled media；magnetic recording；micromagnetics；magnetic materials.

O484.4

A

1673-9469（2017）04-0109-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.024

2017-10-29 特约专稿

国家自然科学基金资助项目(51701059)；河北省自然科学基金资助项目(E2015402111)

谢海龙(1984-)，男，河北磁县人，博士，讲师，从事磁性金属材料方面的研究。

[1] VICTORA R H，SHEN X. Exchange coupled composite